基于化學計量學分析生物炭-N配施的聯(lián)合效應

王 立，鞠 暢，陳榮健，油勇強

(1.城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，哈爾濱 150090；2.伊春鹿鳴礦業(yè)有限公司，黑龍江 鐵力 152500)

生物炭是經(jīng)生物質(zhì)熱裂解后制成的，除C、H、O、N等作為其基本骨架結(jié)構(gòu)外，還含有P、K、Na、Ca等豐富的礦質(zhì)元素[1-2]。由于其自身較大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，生物炭能高效吸附土壤中的營養(yǎng)元素，減少土壤養(yǎng)分流失，影響土壤C、N、P循環(huán)并提高土壤養(yǎng)分的有效性[3-5]。同時，生物炭因其營養(yǎng)性和穩(wěn)定性已成為一種新型肥料，有望在土壤營養(yǎng)調(diào)理方面發(fā)揮重要功能。但與固定配方的傳統(tǒng)化學肥料不同，生物炭是一種綜合營養(yǎng)補充劑，其元素組成受原材料影響顯著，不同炭源生物炭產(chǎn)品的元素組成成分波動巨大。已有研究結(jié)果表明，草本植物和木本植物的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量較高，制備出的植物源生物炭具有更高的碳質(zhì)量分數(shù)和碳氮質(zhì)量比[6-7]；而畜禽糞便由于含有較多的N、P等礦質(zhì)元素[8]，制備出的生物炭碳氮質(zhì)量比相對較低。要想契合植物生長需求，生物炭新型肥料的使用需要首先對其營養(yǎng)元素進行化學計量解析，再根據(jù)其營養(yǎng)特征進行目標調(diào)配，補充必要元素肥料，進而達到最佳的田間使用效果。

生態(tài)化學計量學是研究生態(tài)系統(tǒng)能量和多種化學元素間動態(tài)平衡的科學[9]?；瘜W計量比可以反映土壤有機質(zhì)組成、土壤質(zhì)量、土壤養(yǎng)分供應能力以及C、N、P等養(yǎng)分的礦化狀態(tài)[10-11]。基于利比希最小因子定律可知，元素比例失調(diào)使得部分元素盈余浪費，但此時植物生長仍然受到抑制，所以，對于土壤元素比例調(diào)控的意義重大[12]。研究土壤C、N、P元素質(zhì)量分數(shù)及其化學計量比可以深入揭示土壤養(yǎng)分特征與限制性因子的相互關(guān)系[13]。近年來，土壤生態(tài)化學計量方面的研究也逐漸受到國內(nèi)學者的重視。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)因其特殊的功能需求，對土壤中C、N、P元素的生物地球化學循環(huán)和土壤生態(tài)化學計量關(guān)系依賴性尤為顯著[14-15]。本研究擬通過對不同炭源生物炭材料進行化學計量分析，根據(jù)其營養(yǎng)缺口補充氮肥，系統(tǒng)分析不同營養(yǎng)添加劑之間復雜的交互效應及其對土壤條件的影響，為生物炭田間科學使用方法與效應提供理論依據(jù)和科學指導。

1 實 驗

1.1 實驗材料

本實驗于2020年7—9月份在城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室內(nèi)進行，實驗用土為基本農(nóng)田土壤。生物炭制備原料為廢棄生物質(zhì)，分別為玉米秸稈和雞糞。將玉米秸稈和雞糞置于通風干燥處自然風干，隨后在烘箱中烘至恒重，粉碎后過1 mm篩備用。分別將粉碎過篩后的玉米秸稈和雞糞粉末在真空氣氛箱式電阻爐內(nèi)于300 ℃進行限氧熱裂解，制備成玉米秸稈生物炭(SBC)和雞糞生物炭(MBC)進行后續(xù)實驗。

1.2 實驗設(shè)計

實驗采用兩個雙因素組合設(shè)計(SBC和N、MBC和N)，共15個處理。其中SBC和MBC投加質(zhì)量分數(shù)分別為0、1%和2%，記為BC0、SBC1、SBC2和MBC1、MBC2；尿素投加量分別為0、0.2和0.4 g/kg，記為N0、N1和N2。稱取2.5 kg土壤于培養(yǎng)器中(高度17 cm,上直徑16 cm,底部直徑12.5 cm)，將生物炭和尿素按各處理設(shè)計投加量施入其中，混合均勻。培養(yǎng)期內(nèi)每天用稱重補水法使土壤含水量保持在田間持水量的70%。土壤培養(yǎng)70 d后取樣，土壤樣品在室溫下風干，粉碎后過篩進行土壤理化性質(zhì)測試，每個處理包括3個平行。

1.3 測定方法

全磷(TP)采用王水-HClO4消解，之后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(Optima 8300，美國Perkin Elmer)測定[16]；全氮(TN)采用元素分析儀(VarioELⅢ，德國Elementar)測定；有機碳(SOC)、堿解氮(AN)和有效磷(AP)分別采用重鉻酸鉀外加熱法、堿解擴散法和0.5 mol/L NaHCO3比色法進行測定[17]。

1.4 統(tǒng)計分析

使用SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計分析，其中，使用雙因素方差分析檢驗不同種類生物炭和氮肥投加對土壤養(yǎng)分和化學計量特征的影響，使用單因素方差分析的Duncan檢驗分析不同處理PC1和PC2得分間的差異性；使用CANOCO5.0統(tǒng)計軟件進行主成分分析(PCA)；作圖采用Origin 2017軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同材料元素特征分析

由于土壤是營養(yǎng)元素的輸入端，很大程度決定植物對養(yǎng)分的吸收能力[18]。土壤碳、氮、磷是生態(tài)系統(tǒng)維持平衡不可缺少的組成成分，其質(zhì)量分數(shù)變化會對土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響。同時，其質(zhì)量比C/N(SOC/TN)、C/P(SOC/TP)和N/P(TN/TP)能很好地指示土壤養(yǎng)分狀況，其中，土壤N/P又是養(yǎng)分限制類型的預測指標[19]。表1展示了供試樣品的營養(yǎng)元素組成特征。兩種生物炭的SOC、TN、TP質(zhì)量分數(shù)均高于基本農(nóng)田土壤。其中，SBC具有更高的SOC質(zhì)量分數(shù)，MBC具有更高的TN和TP質(zhì)量分數(shù)。C/N和C/P均為SBC>供試土壤>MBC，N/P為MBC<供試土壤

表1 供試樣品營養(yǎng)元素組成特征

2.2 生物炭與氮肥互作對土壤養(yǎng)分的影響

土壤SOC是衡量土壤肥力的重要指標之一，生物炭的添加顯著影響土壤SOC質(zhì)量分數(shù)，表現(xiàn)為隨生物炭投加量增加，土壤SOC質(zhì)量分數(shù)呈上升趨勢(圖1(a)、表2)，這與生物炭豐富的碳質(zhì)量分數(shù)有關(guān)[22]。不同處理下土壤SOC變化及差異性如圖1(a)所示，其中，土壤SOC對不同生物炭添加的響應因生物炭特性的不同而存在較大差異。SBC處理和MBC處理分別使土壤SOC質(zhì)量分數(shù)最高提升了101.754%和23.684%，這與SBC相比MBC具有更高的碳質(zhì)量分數(shù)有關(guān)。有研究表明，施用生物炭初期能使原生SOC分解(正啟動效應)[5,23]，但長期效應能降低SOC礦化率(負啟動效應)，同時負啟動效應隨生物炭C/N的增加而增加。SBC相對MBC具有更高的C/N，能夠降低土壤SOC礦化，有利于碳保存。同一生物炭施用量下，氮肥施用對土壤SOC質(zhì)量分數(shù)影響不顯著(圖1(a)、表2)，這與宋大利等[24]研究結(jié)果一致。兩種生物炭處理中均在配施氮肥后(BC2N2)其土壤SOC質(zhì)量分數(shù)最高，較BC0N0處理分別增加124.561%(SBC)和38.596%(MBC)。整體而言，生物炭和氮肥的使用共同增加了土壤SOC質(zhì)量分數(shù)，這對于改善農(nóng)田土壤質(zhì)量具有重要意義。

方差分析結(jié)果表明，SBC、MBC和氮肥投加均對土壤TN和AN質(zhì)量分數(shù)有顯著影響(表2)。生物炭的施用提高了土壤TN和AN質(zhì)量分數(shù)(圖1(b)、(c))，這與生物炭自身的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)。生物炭自身的氮素釋放提高了土壤氮質(zhì)量分數(shù)[25]，并且生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)也能夠?qū)Φ仄鸬胶芎玫慕亓糇饔肹26]，使氮素更好地儲存在土壤中，減少土壤中氮素淋溶損失[27-28]，這一特點在配施氮肥后更為突出。氮肥提高了土壤TN質(zhì)量分數(shù)(圖1(b))，施氮處理中SBC2和MBC2分別使土壤TN質(zhì)量分數(shù)最高提升了38.095%和47.619%。這是由于生物炭可以提高土壤中脲酶活性[29]，而脲酶可以將尿素水解成氨，并介導有機氮轉(zhuǎn)化為無機氮[30-31]。同時添加生物炭后N1水平下的土壤TN質(zhì)量分數(shù)均高于BC0處理的N2水平。綜上，在土壤中采用生物炭配施氮肥能夠減少氮素磷溶，提高肥料利用率，對于氮肥的“減施增效”具有重要意義。

采用雙因素方差分析檢驗不同種類生物炭和氮肥投加對土壤養(yǎng)分的影響，不同字母表示處理間的顯著差異(P<0.05)，其中，不同大寫字母表示同類生物炭處理中不同生物炭施用量之間的顯著差異(P<0.05)，不同小寫字母表示同類生物炭處理中不同氮肥施用量之間的顯著差異(P<0.05)。

磷在土壤中有效性低、移動性差，是限制陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要元素之一。本研究發(fā)現(xiàn)生物炭對土壤磷元素質(zhì)量分數(shù)有顯著影響(表2)，土壤TP、AP質(zhì)量分數(shù)與生物炭施用量之間呈正效應(圖1(d)、(e))。生物炭自身具有豐富的磷元素，這與其原料中的磷質(zhì)量分數(shù)有關(guān)[32]。熱解過程中生物炭中磷元素由于自身的溫度低敏性而被保存，同時，其他元素的揮發(fā)導致生物炭中的磷質(zhì)量分數(shù)進一步上升[32-34]，因此，生物炭可以作為磷源提高土壤磷質(zhì)量分數(shù)。添加SBC和MBC分別使土壤TP質(zhì)量分數(shù)最高提升了34.592%和84.396%。這是由于MBC中磷質(zhì)量分數(shù)比SBC更為豐富，對土壤TP質(zhì)量分數(shù)提升程度也優(yōu)于SBC。與TP類似，隨著生物炭施用量的增加，土壤中AP質(zhì)量分數(shù)也顯著增加，這說明生物炭提供的磷在很大程度上是可以直接利用的。添加MBC后土壤AP的上升幅度高于SBC，這與Gao等[35]的薈萃分析結(jié)果相似，施用C/N低的生物炭(MBC)對土壤AP的改善效果更好。氮水平并未顯著影響土壤TP質(zhì)量分數(shù)，但是，氮肥的施用顯著影響了土壤AP質(zhì)量分數(shù)，表現(xiàn)為施氮后土壤AP質(zhì)量分數(shù)提升(圖1(d)、(e))。方差分析結(jié)果顯示，生物炭和氮肥及其二者之間的交互作用顯著影響了土壤AP質(zhì)量分數(shù)(表2)。整體而言，SBC傾向于提升土壤SOC，而MBC傾向于改善土壤TP和AP質(zhì)量分數(shù)。

表2 SBC、MBC與氮肥互作對土壤養(yǎng)分影響的雙因素方差分析F值及顯著性

2.3 生物炭與氮肥互作對土壤化學計量特征的影響

對于作物而言，營養(yǎng)元素的絕對量限制和比例限制同時存在。為了提升產(chǎn)量而盲目過多施肥不僅會造成生產(chǎn)資料的浪費，還會造成元素盈余進而帶來環(huán)境污染問題。適宜的土壤生態(tài)化學計量比對于維持生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

不同處理下土壤生態(tài)化學計量比特征如圖2所示。土壤C/N受土壤TN和土壤SOC的影響，可以敏感地反映土壤質(zhì)量狀況[10]，其變化趨勢對土壤碳氮循環(huán)有重要影響。合理的土壤SOC和TN質(zhì)量分數(shù)是提升土壤固碳、固氮能力以及實現(xiàn)土壤C/N耦合平衡的重要途徑[36]。本研究各處理下土壤C/N基本維持在11.494～20.989。相同生物炭處理中氮肥的輸入降低了土壤C/N。不同生物炭對土壤C/N的改善具有種類異質(zhì)性，其中，SBC處理促進了土壤C/N增加。相比BC0，土壤C/N在SBC處理中最高提升了46.876%，而MBC處理與SBC處理呈現(xiàn)相反結(jié)果，表現(xiàn)為降低了土壤C/N(圖2(a))。這是由于SBC具有更高的C/N，同時，SBC處理中土壤SOC的提升效果明顯高于MBC處理，但二者對于TN的改善效果差異并不明顯(圖1(a)、(b))。

土壤C/P通常用來表征土壤SOC的分解和積累以及土壤固持磷素的能力[37-38]。兩種生物炭的施用均顯著影響了土壤C/P，氮肥對土壤C/P影響并不顯著(表3)。由圖2(b)可以看出，SBC和MBC處理對于土壤C/P改善效果呈相反趨勢，這表明生物炭對土壤C/P的影響因種類不同而具有差異性。SBC的施用使土壤SOC質(zhì)量分數(shù)大幅度提高(圖1(a))，但對TP的提升幅度較小(圖1(d))，因此，施用SBC后土壤C/P顯著高于BC0。同時，SBC高C/P促進了土壤微生物對磷的同化，提高土壤微生物磷固存和磷儲量，降低了磷活性[39]。相反，施用MBC使土壤TP質(zhì)量分數(shù)大幅度提高(圖1(d))，但對土壤SOC的提升效果并不顯著(圖1(a))，所以，添加MBC后土壤C/P明顯低于BC0，但此時有利于有機物分解過程中的養(yǎng)分釋放，促進了磷礦化，改善了土壤磷的有效性[39]。

土壤氮、磷是植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境條件，其比值對群落結(jié)構(gòu)和功能起關(guān)鍵性作用，也可以判斷土壤對植物養(yǎng)分供應狀況，是限制性養(yǎng)分判斷的重要指標[37]。本研究中，MBC的施用降低了土壤N/P(相比BC0)，且與其施用量呈負相關(guān)(圖2(c))，這與MBC處理后土壤TP質(zhì)量分數(shù)顯著提升有關(guān)(圖1(d))，同時，SBC處理下土壤N/P高于MBC處理。同一生物炭處理中，氮肥的施用對土壤N/P影響顯著(表3)，表現(xiàn)為施用氮肥提高了土壤N/P(圖2(c))，這與土壤TN質(zhì)量分數(shù)的提升有關(guān)(圖1(b))。兩種生物炭的施用均顯著影響了土壤AN與TN質(zhì)量比(AN/TN)和AP與TP質(zhì)量比(AP/TP)(表3)，土壤AP/TP隨著生物炭施用量的增加呈上升趨勢(圖2(e))，土壤中磷的可用性提高，且MBC處理中提升更為明顯。整體而言，SBC通過誘導土壤SOC質(zhì)量分數(shù)的上升進而提高土壤C/N和C/P，MBC處理則通過磷劑量稀釋效應降低了土壤C/P和N/P。

采用雙因素方差分析檢驗不同種類生物炭和氮肥投加對土壤化學計量特征的影響，不同字母表示處理間的顯著差異(P<0.05)，其中，不同大寫字母表示同類生物炭處理中不同生物炭施用量之間的顯著差異(P<0.05)，不同小寫字母表示同類生物炭處理中不同氮肥施用量之間的顯著差異(P<0.05)。

表3 SBC、MBC與氮肥互作對土壤化學計量特征影響的雙因素方差分析F值及顯著性

2.4 不同處理對土壤養(yǎng)分及土壤化學計量特征影響

采用PCA分析評估土壤養(yǎng)分元素質(zhì)量分數(shù)及其化學計量比與不同處理之間的關(guān)系。PC1和PC2分別解釋了66.21%和31.68%的變量(圖3(a))。不施用生物炭、施用SBC和施用MBC處理在不同象限被分隔開，這表明不同處理中土壤養(yǎng)分及其化學計量特征存在差異，且生物炭投加的種類差異導致其功能趨向性不同。不同生物炭添加處理在PC1和PC2的得分均呈現(xiàn)顯著的差異(圖3(b))，這表明與PC1、PC2具有強相關(guān)性的代表因子均可以描述生物炭投加和BC0處理之間的差異[40]。同時，TP、AP、AP/TP是PC1的代表因子，SOC是PC2的代表因子(表4)，MBC處理對PC1得分的影響更大，而SBC處理對PC2得分的影響更突出(圖3(b))。這進一步說明MBC對磷質(zhì)量分數(shù)和磷養(yǎng)分有效性的改善更突出，而SBC更傾向于改善碳的利用。同時，通過比較圖3(a)中的指標可知，相關(guān)性較高的指標排列在相近位置，SOC與C/N和C/P關(guān)系密切，這也驗證了前文提到的SBC通過提升SOC進而增大C/N和C/P。

采用單因素方差分析的Duncan檢驗分析不同處理PC1和PC2得分間的差異性，不同小寫字母代表同一成分中不同處理之間的得分存在顯著差異(P<0.05)。

表4 不同處理對土壤養(yǎng)分及其化學計量進行主成分分析中PC1和PC2得分

3 結(jié) 論

1)兩種生物炭的添加均提升了土壤SOC、TN、AN、TP和AP質(zhì)量分數(shù)，且隨著生物炭用量的提高，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)呈上升趨勢。SBC處理下土壤SOC質(zhì)量分數(shù)最高提升了101.754%，MBC處理下土壤TP質(zhì)量分數(shù)最高提升了84.396%。

2)不同生物炭的添加對土壤元素計量比的影響效應存在差異性。SBC的施加顯著提升土壤C/N和C/P，更有利于土壤有機碳的補充。MBC的施加在提升土壤AP/TP的同時會降低土壤中C/P和N/P，能夠緩解基質(zhì)的磷限制，適用于缺磷導致的土壤營養(yǎng)失衡。

3)生物炭和氮肥結(jié)合使用對提高氮肥利用率，實現(xiàn)“減施增效”具有重要意義。同時，二者共同施用并不是簡單的疊加效應，存在顯著的交互效應，在改善土壤磷元素有效性方面顯示出巨大的潛力。